fizica statului solid este ramura fizicii care se ocupă cu studiul materiei atunci când aceasta se află într-o stare cu energie scăzută, numită stare solidă, folosind teorii fizice precum mecanica cuantică, fizică statistică, termodinamică, electromagnetism și cristalografie.
În stare solidă, energia de atracție intermoleculară este mai mică decât energia termică, prin urmare moleculele cu greu pot vibra în jurul unor poziții mai mult sau mai puțin fixe. Unele solide sunt amorfe la nivel molecular, în timp ce altele au o structură mai ordonată, cum ar fi cristalele..
Câteva exemple de materiale solide sunt nisipul de siliciu, sticla, grafitul (cărbune mineral), sarea obișnuită, zahărul rafinat, fierul, cuprul, magnetitul, cuarțul și multe altele.
Indice articol
Materialele solide au principala caracteristică că, în condiții normale, adică dacă nu sunt supuse unor solicitări externe mari, își mențin volumul și forma..
Acest lucru este în contrast cu lichidele care, deși își pot menține volumul, își schimbă forma adaptându-se la recipientul care le conține. Contrastul este cu atât mai mare cu gazele, deoarece acestea pot fi comprimate sau extinse schimbându-și volumul și forma..
Cu toate acestea, solidele își pot varia volumul atunci când sunt supuse unor schimbări de temperatură suficient de mari pentru a avea efecte notabile, dar fără o tranziție de fază la o altă stare a materiei..
Solidele pot fi amorfe în structura lor moleculară internă. De exemplu, sticla este un material amorf, chiar considerat de mulți ca fiind un lichid prea răcit. Cu toate acestea, cuarțul și diamantul au o structură cristalină, adică atomii lor urmează aranjamente periodice și spațiale periodice..
Fizica în stare solidă studiază relația dintre proprietățile la scara macroscopică (de mii sau milioane de ori mai mari decât scara atomică) și proprietățile la scara moleculară sau atomică..
Într-un solid, atomii sunt foarte apropiați unul de celălalt și interacțiunea dintre ei determină proprietățile lor la o scară macro, cum ar fi caracteristicile lor mecanice: rigiditate și ductilitate, precum și proprietățile lor termice, magnetice, optice și electrice..
De exemplu, conductivitatea, capacitatea termică și magnetizarea sunt proprietăți macroscopice ale solidelor care depind direct de ceea ce se întâmplă la scară moleculară sau atomică..
Un exemplu clar al importanței fizicii solide sunt semiconductorii. Înțelegerea proprietăților lor la nivel microscopic permite dezvoltarea de dispozitive precum tranzistoare, diode, circuite integrate și LED-uri, doar pentru a numi câteva aplicații..
În funcție de condițiile de presiune și temperatură, precum și de procesele urmate în timpul formării lor, materialele solide dobândesc o anumită structură microscopică..
De exemplu, materiale la fel de diferite ca grafitul și diamantul sunt compuse exclusiv din atomi de carbon. Dar proprietățile lor sunt complet diferite, deoarece, deși sunt compuse din același tip de atomi, structurile lor microscopice diferă enorm..
Specialiștii în metalurgie știu că, pornind de la același material, cu tratamente termice diferite, se obțin rezultate foarte diferite la fabricarea pieselor, cum ar fi cuțitele și săbiile. Diferite tratamente conduc la diferite structuri microscopice.
În funcție de formarea lor, solidele pot prezenta practic trei tipuri de structuri microscopice:
Fizica solidelor se bazează pe principii fundamentale pentru a explica proprietățile materialelor solide, cum ar fi conductivitatea termică și conductivitatea electrică..
De exemplu, aplicând teoria cinetică electronii liberi dintr-un metal, aceștia sunt tratați ca și cum ar fi un gaz..
Și în ipoteza că ionii formează un substrat imobil, este posibil să se explice atât conductivitatea electrică, cât și conductivitatea termică a metalelor. Deși, în versiunea clasică a acestui model, conductivitatea termică a electronilor liberi este mai mare decât cea obținută din măsurători în materiale conductoare..
Dezavantajul este rezolvat prin introducerea corecțiilor cuantice modelului de electroni liberi al unui solid conducător. Mai mult, dacă se presupune că urmează statistica Fermi-Dirac, atunci predicțiile teoretice sunt mai precise cu măsurătorile experimentale..
Cu toate acestea, modelul de electroni liberi nu poate explica conductivitatea termică a solidelor, altele decât metalele..
În acest caz, trebuie luată în considerare interacțiunea electronilor cu rețeaua cristalină, care este modelată de un potențial periodic în ecuația Schrodinger. Acest model prezice benzi de conducere dependente de energie ale electronilor și explică conductivitatea electrică în solidele semiconductoare, un tip de solid intermediar între izolator și metalul conductor..
Fizica în stare solidă a evoluat până la punctul în care a permis descoperirea de noi materiale precum nanomateriale solide cu proprietăți unice și extraordinare.
Un alt exemplu de exemplu în dezvoltarea fizicii solidelor este dezvoltarea de materiale bidimensionale sau monostrat, urmată de diverse aplicații, cum ar fi celulele fotovoltaice și dezvoltarea circuitelor integrate cu semiconductori..
Exemplul clasic al unui material bidimensional este grafen, care nu este altceva decât grafit cu un singur strat și care a fost obținut pentru prima dată în 2004.
Alte exemple de solide bidimensionale sunt: fosforen, plumben, silicen și germacen.
Superconductivitatea a fost descoperită în 1911 de olandezul Kamerlingh Onnes (1853-1926) când a supus materiale conductoare precum mercur, staniu și plumb la temperaturi foarte scăzute (de ordinul 4K)..
Superconductivitatea are aplicații tehnologice importante, cum ar fi trenurile de levitație magnetică, atâta timp cât poate fi obținută la temperaturi ridicate (ideal la temperatura camerei).
Fizica solidelor se află în această căutare de supraconductori, adică o temperatură ridicată peste temperatura azotului lichid (77 K), o temperatură relativ ușoară și ieftină de obținut. Până în prezent, supraconductorul cu cea mai înaltă temperatură este un solid ceramic care atinge această stare la o temperatură de 138 K sau -135ºC..
Solidele puternic corelate sunt compuși fermionici grei care au proprietăți neobișnuite și un potențial tehnologic mare. De exemplu, pot fi manipulate pentru a trece de la izolatori la conductori prin câmpuri magnetice.
Dezvoltarea acestui tip de solide a permis, de asemenea, ca dispozitivele de stocare a informațiilor magnetice să-și fi sporit exponențial capacitatea în ultimele decenii..
Exemple de solide.
Nimeni nu a comentat acest articol încă.